CN101297123A - 混合型磁轴承 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种控制性优异、能够进一步实现高刚性化、高效率化、小型化的混合型磁轴承。该磁轴承具有通过控制多个电磁铁和永久磁铁的磁力而在非接触状态下被支撑时进行旋转的转子，在该混合型磁轴承中，电磁铁在芯上卷绕有控制线圈，该芯沿转子的径向或轴向以预定间隔大致平行地突出设置有主极和具有换向极用永久磁铁的换向极，在径向的磁轴承中，隔着转子大致平行地对置配置有两个电磁铁，并且转子与主极和换向极配设成具有预定间隙，在相邻的电磁铁的主极之间设有永久磁铁；在轴向的磁轴承中，大致水平地平行配置有两个电磁铁，并且转子与主极和换向极配设成具有预定间隙，在相邻的电磁铁的主极之间设有永久磁铁。

Description

混合型磁轴承
技术领域
本发明涉及借助磁力以非接触方式支撑转子的混合型磁轴承，尤其涉及利用由永久磁铁产生的偏置磁通来降低电磁铁的耗电、提高控制响应性的技术。
背景技术
近年，伴随着以非接触方式支撑旋转体的磁轴承的技术的发展，磁轴承正被利用到各种轴承当中。磁轴承使用电磁铁，但是在使用电磁铁的情况下，为了使转子悬浮而需要大量电流，所以耗电变大。因此，为了利用少量电流来增强磁力，要求转子与定子之间的间隙要小。再有，需要较高的工作精度。因而，利用永久磁铁的偏置磁通的混合型磁轴承正在被使用。
混合型磁轴承的基本结构如下：在转子的旋转轴方向隔开间隔地配置的两个向心磁轴承之间夹设有沿轴向被磁化的永久磁铁，将一个向心轴承设为N极。并且，将另一个向心轴承偏置磁化成S极。这样所产生的偏置磁通由励磁线圈在径向一侧被加强，在另一侧被减弱，从而控制向心吸引力。
另外，也公知有为了实现小型化而将单一的向心磁轴承制成混合型磁轴承。专利文献1中公开的磁轴承将环状转子的磁性材料中的一个外周面作为第一磁极面，其中该环状转子是将在轴向上被磁化的永久磁铁从轴向夹设在所述磁性材料间而构成的。并且，将所述磁性材料的另一外周面作为第二磁极面。而且，在转子外周具有由四个电磁铁构成的定子，四个电磁铁分别构成为与所述转子的磁极面对置配置。通过这样，提出了借助较强的磁力将转子与定子之间结合起来以被动地磁支撑转子的轴向并允许转子倾斜的方案。
另外，在专利文献2中提出有如下结构的磁轴承，即，处于中心的转子具有沿周向等间隔地配置的コ字形的电磁铁，将所述电磁铁以利用在周向上被磁化的永久磁铁使磁化方向相互交错地配置的方式结合起来。
再有，在专利文献3中提出有如下结构的磁轴承，即，在径向上设置被磁化的永久磁铁并对其赋予偏置磁通，以便覆盖具有多个凸极的定子的末端。
但是，专利文献1、3中公开的磁轴承是在控制线圈的磁通所通过的磁路中配置永久磁铁的结构，对控制磁通来说永久磁铁成为间隙，因此，通过增加永久磁铁的厚度以增加偏置磁通来增强控制力就有限度。
另外，在专利文献2公开的磁轴承中，如果是X轴方向的控制或是Y轴方向单独的控制，就能够产生较强的控制力，但是当同时进行X轴和Y轴的控制时，就会存在控制磁通相互干扰、不能产生较强控制力的问题。
另外，由于磁轴承是以非接触方式支撑旋转体的，因此磁悬浮本来就不稳定，需要检测悬浮量来通过反馈控制使磁悬浮稳定。因此，作为用于检测悬浮量的传感器，使用涡电流传感器、电感传感器等，但是通常价格昂贵。另外，在需要分开设置磁轴承和传感器的情况下，还存在反馈系统的稳定区域狭窄、担心稳定化等问题。特别是，最近寻求超小型旋转体用的磁轴承，限定传感器的设置空间妨碍了小型化。
因而，具有这种磁轴承的位置检测：应用了将磁轴承的电磁铁作为传感器加以利用的自传感检测技术。当转子位置变化时，从磁轴承的磁极到转子的距离(间隙)变化，从而磁极的电感变化。通过用某种方法检测该电感的变化来推定间隙。目前尝试有如下方法，即，使高频信号与电磁铁的励磁线圈重叠、根据高频分量的电流和电压来推定转子的位移的方法；构建转子磁轴承系统的数学模型，由此来制作推定位移的观察器的方法等。但是，利用自传感检测的磁轴承，与以其他途径使用位移传感器的方法相比，存在位置的推定精度差的问题。
专利文献1：日本特开2005-121157号公报
专利文献2：日本特开2001-41238号公报
专利文献3：日本特开平11-10234号公报
发明内容
根据本发明，其目的在于提供一种控制性优异、能够进一步实现高刚性化、高效率化、小型化的混合型磁轴承。
在本发明的一个方式中，混合型磁轴承具有通过控制多个电磁铁和永久磁铁的磁力而在非接触状态下被支撑时进行旋转的转子，该混合型磁轴承采取以下结构：所述电磁铁在所述转子的径向上以预定间隔大致平行地突出设置有主极和具有换向极用永久磁铁的换向极，在由所述主极和所述换向极构成的芯上卷绕有控制线圈，两个所述电磁铁隔着所述转子大致水平地对置配置，并且所述转子配置成与所述主极和所述换向极具有预定间隙，在相邻的所述电磁铁之间设置所述永久磁铁。
优选的是，也可以采取以下结构：所述换向极用永久磁铁配设成，其极性与对置配置的所述电磁铁的所述换向极的极性相同，并且与相邻的所述电磁铁的所述换向极的极性不同；隔着所述电磁铁而配设的所述永久磁铁的极性配置成，与所述换向极用永久磁铁末端的极性不同的极性朝向该电磁铁的方向。
另外，优选的是，所述控制线圈也可以在与所述换向极用永久磁铁产生的第一偏置磁通和所述永久磁铁产生的第二偏置磁通相同方向或相反方向上产生控制磁通，并控制所述转子的位置。
另外，所述控制磁通也可以利用磁通传感器检测所述第二偏置磁通的变化，并根据所述检测到的结果来调节所述控制线圈的电流。
另外，所述控制磁通也可以利用位移传感器检测所述转子位置的变化，并根据所述检测到的结果来调节所述控制线圈的电流。
另外，所述换向极用永久磁铁配设在从所述换向极的末端到所述主极和所述换向极之间的芯部分之间。
另外，所述换向极与所述转子之间的距离也可以比所述主极与所述转子之间的距离长。
在本发明的其他方式中，混合型磁轴承具有通过控制多个电磁铁和永久磁铁的磁力而在非接触状态下被支撑时进行旋转的转子，所述混合型磁轴承隔着所述转子并具有预定间隙地在上下配设有上侧磁轴承和下侧磁轴承，所述上侧磁轴承和所述下侧磁轴承具有多个所述电磁铁，所述电磁铁以预定间隔大致平行地突出设置有主极和具有换向极用永久磁铁的换向极，在由所述主极和所述换向极构成的芯上卷绕有控制线圈，在所述上侧磁轴承上设置的电磁铁之间设置所述永久磁铁，并在所述下侧磁轴承上设置的电磁铁之间也设置所述永久磁铁，所述上侧磁轴承的所述主极的端部平面和所述下侧磁轴承的所述主极的端部平面，隔着所述转子对置配设。
优选的是，相邻的所述电磁铁的所述换向极末端的极性相异地配设，以隔着所述电磁铁的所述主极的方式配设的所述永久磁铁的极性配置成：与所述换向极用永久磁铁末端的极性不同的极性朝向该电磁铁的所述主极方向。
另外，优选的是，所述控制线圈也可以在与所述换向极用永久磁铁产生的第一偏置磁通和所述永久磁铁产生的第二偏置磁通相同方向或相反方向上产生控制磁通，并控制所述转子的位置。
根据上述结构，由卷绕在各电磁铁上的励磁线圈对控制磁通进行控制，从而控制向心方向的磁力。
另外，通过偏置磁通能够进一步提高控制力，利用少量的电流就能够产生较强的控制力，因此能够实现高效率化。
另外，通过检测设置有磁通传感器的空间的磁通变化，能够推定转子位置，从而能够实现混合型磁轴承的小型化。
优选的是，所述转子也可以在与所述主极和所述换向极相面对的侧面上设有两个突起部，并使所述突起部在所述转子的所述侧面上与所述主极和所述换向极对置。
在本发明的其他方式中，磁悬浮泵用混合型磁轴承具有通过控制多个电磁铁和永久磁铁的磁力而在非接触状态下被支撑时进行旋转的转子，在该磁悬浮泵用混合型磁轴承中，所述电磁铁在所述转子的径向上以预定间隔大致平行地突出设置有主极和具有换向极用永久磁铁的换向极，在由所述主极和所述换向极构成的芯(磁心)上卷绕有控制线圈，两个所述电磁铁隔着所述转子大致水平地对置配置，并且所述转子配设成与所述主极和所述换向极具有预定间隙，在相邻的所述电磁铁之间设置所述永久磁铁。
根据本发明，利用控制磁通来控制偏置磁通，由此能够进一步实现高刚性化、高效率化、小型化。
附图说明
图1是实施例1的展开图。(a)是从换向极侧观察到的图。(b)是从控制线圈4c侧观察到的侧视图，(c)是从控制线圈4b侧观察到的侧视图，(d)是从主极侧观察到的图。
图2的(a)是从实施例1的主极侧观察到的图，(b)是沿A-A’线的剖视图，(c)是沿B-B’线的剖视图。
图3是在沿图2中的A-A’线的剖视立体图中示出磁通线的图。
图4的(a)、(b)是示出实施例1的针对轴向移位、倾斜的被动稳定性的图。
图5是示出实施例1的控制块(control block)的图。
图6是示出实施例1的控制块的图。
图7的(a)、(b)是示出实施例1的永久磁铁的位置的图。
图8是示出实施例2的结构的图。
图9是实施例3的展开图，(a)是从上部观察到的图，(b)是从控制线圈82c侧观察到的侧视图，(c)是从控制线圈82b侧观察到的侧视图，(d)是从下部观察到的图。
图10(a)是在沿C-C’线的剖面图中示出磁通线的图。(b)是在沿控制线圈82c的侧视图中示出磁通线的图。
图11是在沿图2的C-C’线的剖视立体图中示出磁通线的图。
图12是示出实施例2的径向的被动稳定性的图。
图13的(a)、(b)是示出实施例3的永久磁铁的位置的图。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。
(实施例1)
图1是本发明的混合型磁轴承的展开图。该图的(a)是从换向极3a～3d侧观察到的图。该图的(b)是从换向极3c侧观察到的侧视图，该图的(c)是从换向极3b侧观察到的侧视图，该图的(d)是从主极7a～7d侧观察到的图。
图1的(a)～(d)中所示的本发明的混合型磁轴承由定子1和转子2构成。定子1由以下部件构成：朝向转子2突出设置的第一换向极3a、第二换向极3b、第三换向极3c、第四换向极3d；第一控制线圈4a、第二控制线圈4b、第三控制线圈4c、第四控制线圈4d；第一永久磁铁5a、第二永久磁铁5b、第三永久磁铁5c、第四永久磁铁5d；第一传感器6a、第二传感器6b、第三传感器6c、第四传感器6d；朝向转子2突出设置的第一主极7a、第二主极7b、第三主极7c、第四主极7d；以及第一换向极用永久磁铁8a、第二换向极用永久磁铁8b、第三换向极用永久磁铁8c、第四换向极用永久磁铁8d。
所述换向极3a～3d分别具有换向极用永久磁铁8a～8d。在第一换向极3a上具有第一换向极用永久磁铁8a，在第二换向极3b上具有第二换向极用永久磁铁8b，在第三换向极3c上具有第三换向极用永久磁铁8c，在第四换向极3d上具有第四换向极用永久磁铁8d。
所述控制线圈4a～4d卷绕在换向极3a～3d和与换向极3a～3d大致平行地对置的主极7a～7d之间。第一控制线圈4a设在第一换向极3a与第一主极7a之间，第二控制线圈4b设在第一换向极3b与第一主极7b之间，第三控制线圈4c设在第一换向极3c与第一主极7c之间，第四控制线圈设在第一换向极3d与第一主极7d之间。另外，不限定于卷绕上述说明的部位上。
所述永久磁铁5a～5d设在构成定子1的第一～四主极7a～7d之间，并被向主极7a～7d两侧延伸的芯部固定。第一永久磁铁5a设在主极7a与主极7b之间，第二永久磁铁5b设在主极7b与主极7c之间，第三永久磁铁5c设在主极7c与主极7d之间，第四永久磁铁5d设在主极7d与主极7a之间。
此处，所述说明的第一永久磁铁5a～5d、换向极用永久磁铁8a～8d的材质使用例如钕-铁-硼、钐-钴、钐-铁-氮等(稀土类磁铁)。定子1和转子2等的材质使用软磁铁、磁性不锈钢、压粉磁铁等(软磁性材料)。另外，不限于上述说明的材料。
图2的(a)～(c)是示出在本发明的混合型磁轴承1中产生的磁通的图。如该图的(b)、(c)所示，第一～四换向极3a～3d前端的第一～四换向极用永久磁铁8a～8d向多个电磁铁提供第一偏置磁通b1-1～b1-4。另外，第一～四永久磁铁5a～5d向构成电磁铁的第一～四主极7a～7d提供第二偏置磁通b2-1～b2-4。
将该图的(c)所示的第一换向极3a和第三换向极3c前端作为第一极性(S极)。并且将该图的(b)所示的第二换向极3b和第四换向极3d前端作为第二极性(N极)。另外，在由主极7a和换向极3a构成的芯与由主极7b和换向极3b构成的芯之间的第一永久磁铁5a构成为：其第一极性(S极)配置成朝向由主极7b和换向极3b构成的芯，其第二极性(N极)朝向由主极7a和换向极3a构成的芯。同样地，在由主极7b和换向极3b构成的芯与由主极7c和换向极3c构成的芯之间的第二永久磁铁5b构成为：其第一极性(S极)配置成朝向由主极7b和换向极3b构成的芯，第二极性(N极)朝向由主极7c和换向极3c构成的芯。在由主极7c和换向极3c构成的芯与主极7d和换向极3d构成的芯之间的第三永久磁铁5c构成为：其第一极性(S极)配置成朝向由主极7d和换向极3d构成的芯，第二极性(N极)朝向由主极7c和换向极3c构成的芯。在由主极7d和换向极3d构成的芯与由主极7a和换向极3a构成的芯之间的第四永久磁铁5d构成为：其第一极性(S极)配置成朝向由主极7d和换向极3d构成的芯，第二极性(N极)朝向由主极7a和换向极3a构成的芯。并且，通过将控制线圈4a～4d(励磁线圈)卷绕在由各主极7a～7d和换向极3a～3d分别成对地构成的芯上，从而对控制磁通c1-1～c1-4进行控制，以此控制向心方向的磁力。
控制磁通c1-1～c1-4和由换向极用永久磁铁8a～8d产生的第一偏置磁通b1-1～b1-4，通过由主极7a～7d和换向极3a～3d以及转子2构成的磁路。这里，换向极侧的间隙(换向极与转子之间)由于存在换向极用永久磁铁8a～8d，所以与主极侧的间隙(主极与转子之间)相比，成为较长的间隙。因此，主要是第二偏置磁通b2-1～b2-4通过由相邻的主极7a～7d和转子2构成的磁路。由此，在换向极3a～3d中，能够通过由换向极用永久磁铁8a～8d产生的第一偏置磁通b1-1～b1-4来提高控制力。
另外，在主极7a～7d中，能够通过由换向极用永久磁铁8a～8d产生的第一偏置磁通b1-1～b1-4和由永久磁铁5a～5d产生的第二偏置磁通c1-1～c1-4来提高控制力。另外，根据上述结构，利用少量电流就能够产生较强的控制力，所以能够实现高效率化。
利用图2的(a)、(b)、(c)和图3的磁轴承的剖视立体图说明控制方法。图2的(b)和图3是沿图2的(a)中的A-A’线的剖视图和剖视立体图。如该图所示，利用换向极用永久磁铁8b、8d产生第一偏置磁通b1-2和b1-4。并且，利用永久磁铁5a～5d产生由第二偏置磁通b2-1和b2-2合成的第二偏置磁通以及由第二偏置磁通b2-3和b2-4合成的第二偏置磁通。这里，在本例中，沿如图3所示的方向对控制线圈4b、4d供给电流，从而产生控制磁通c1-1、c1-4。此时，在主极7d和换向极3d之间的间隙中，在与第一偏置磁通b1-4以及由第二偏置磁通b2-3和b2-4合成的磁通相反的方向上产生控制磁通c1-4。其结果是，磁通相互抵消，从而磁通密度降低。
另一方面，在主极7b和换向极3b之间的间隙中，在与第一偏置磁通b1-2以及由第二偏置磁通b2-1和b2-2合成的磁通相同的方向上产生控制磁通c1-2。其结果是，磁通密度增加，产生向X方向(箭头方向)的磁吸引力。
相反，当在电磁铁中产生方向与图2的(b)中的方向相反的控制磁通时，产生方向与箭头方向相反的磁吸引力。
图2的(c)是沿图2的(a)所示的B-B’线的剖视图。如该图所示，通过换向极用永久磁铁8a、8c产生第一偏置磁通b1-1和b1-3。并且，通过永久磁铁5a～5d产生由第二偏置磁通b2-1和b2-4合成的第二偏置磁通以及由第二偏置磁通b2-2和b2-3合成的第二偏置磁通。这里，在本例中，产生控制磁通c1-1、c1-3。此时，在主极7a和换向极3a之间的间隙中，在与第一偏置磁通b1-1以及由第二偏置磁通b2-1和b2-4合成的磁通相反的方向上产生控制磁通c1-1。其结果是，磁通相互抵消，磁通密度降低。
另一方面，在主极7c和换向极3c与转子2之间的间隙中，在与第一偏置磁通b1-3以及由第二偏置磁通b2-2和b2-3合成的磁通相同方向上产生控制磁通c1-3。其结果是，磁通密度增加，产生向Y方向(箭头方向)的磁吸引力。相反，当在电磁铁中产生方向与图2的(b)中的方向相反的控制磁通时，产生朝向方向与箭头方向相反的磁吸引力。
借助以上的X方向控制和Y方向控制能够实现径向磁悬浮。
接着，根据图4的(a)、(b)和图2的(b)的概略剖视图，对轴向上移位和倾斜进行说明。借助于由换向极用永久磁铁8a～8d和永久磁铁5a～5d产生的径向的较强磁吸引力被动地进行磁支撑。如图4的(a)所示，当转子2在轴向上移位时，因换向极用永久磁铁8b、8d和永久磁铁5a～5d的偏置吸引力而在恢复移位的方向上产生复原力，从而使位移消失。另外，如图4的(b)所示，在产生倾斜时，因换向极用永久磁铁8b、8d和永久磁铁5a～5d的偏置吸引力而在与倾斜相反的方向上产生复原力矩，从而使倾斜消失。
在图5、图6中示出本磁轴承的控制系统。图5示出了使用霍尔(Hall)元件等磁通传感器的位置检测方法的本磁轴承的控制系统。分别对置的电磁铁(由主极和换向极构成)的控制线圈以在不同方向上产生控制磁通的方式被连线。将传感器6a～6d设置在除第一～四永久磁铁5a～5d以外的部分(定子1的芯)的电磁铁之间。传感器6a～6d通过转子2的移位对永久磁铁5a～5d的偏置磁通所变化的量进行检测，并根据磁通的变化量推定位移。利用传感器6a～6d检测到的信号为非线性的，因此，通过将传感放大器55～58所示的传感放大器1～4所放大的各传感器的值进行计算(例如和或差)，能够得到X、Y方向的位置检测为线性，从而能够消除X轴、Y轴的相互干扰。
在本实施例中，从传感器6a得到的信号被传感器6a通过传感放大器1_55放大，从传感器6c得到的信号被传感器6c通过传感放大器3_56放大，并且取得输出差值。此外，从传感器6b得到的信号被传感器6b通过传感放大器2_57放大，从传感器6d得到的信号被传感器6d通过传感放大器4_58放大，并且取得输出差值。此后，利用上述计算的结果取得差值来作为X方向的位移的输出，通过利用所述计算的结果相加值来作为Y方向的位移的输出，以此来计算位移量。该位移量通过A/D转换器等(未图示)被转换成数字信号，并被导入X方向控制器51、Y方向控制器52中。利用X方向控制器51、Y方向控制器52计算控制电流值，通过功率放大器53、54使控制电流流入磁轴承的电磁铁的各线圈4a～4d中，由此对转子2进行位置控制。在控制器中可以考虑使用PID控制(比例-积分-微分控制)等。
另外，虽然与上述的控制系统相比装置变大，但是使用涡电流传感器等位移传感器也能够控制该磁轴承。图6中示出在使用涡电流传感器等位移传感器的情况下的控制系统。分别对置的电磁铁的线圈4a～4d以在不同方向上产生控制磁通的方式被连线。为了检测与安装在转子2上的目标(未图示)的距离，在径向的X、Y方向上分别配置传感器61、62。利用X、Y轴的传感器61、62检测转子2的位置，检测到的信号被传感放大器63、64放大，信号通过A/D转换器等(未图示)被导入X方向控制器67、Y方向控制器68中。此后，利用各控制器67、68计算控制电流值，通过功率放大器65、66使控制电流流入磁轴承的电磁铁的各线圈4a～4d中，由此对转子2进行位置控制。另外，在X方向控制器67、Y方向控制器68中可以考虑使用PID控制等。
另外，如图7的(a)、(b)所示，即使是将换向极用永久磁铁8a～8d配置在各换向极的凸极中部的形状，各偏置磁通和控制磁通也成为与上述说明同样的磁路，从而可以进行与实施例1同样的控制。
另外，在实施例1中以换向极与主极对置的方式设有四个电磁铁，但是不特别限定为四个，只要设置多个即可。根据所述结构，不增加换向极永久磁铁的厚度，而增加偏置磁通，就能够高效地进行控制，能够提高转子的位置控制的推定精度。
(实施例2)
图8是说明将主极71b、71d、71f、71h和换向极71a、71c、71e、71g都配置在同一平面上、使控制线圈72a～72d中产生控制磁通进行控制的情况。并且，为便于说明，该图仅说明在X方向上进行控制的情况。图7所示的偏置磁通b75a形成从换向极71a末端的换向极用永久磁铁74d的N极经由转子75通过主极71b的磁路。并且偏置磁通b75b形成从换向极71c末端的换向极用永久磁铁74a的N极通过芯、主极71d然后通过转子75的磁路。偏置磁通b75c形成从换向极71e末端的换向极用永久磁铁74b的N极经由转子75通过主极71f的磁路。偏置磁通b75d形成从换向极71g末端的换向极用永久磁铁74c的N极经由芯、主极71h然后通过转子75的磁路。
图8所示的偏置磁通b76a形成从主轴71b与换向极71c之间的永久磁铁73a的N极通过主极71d经由转子75通过主极71b的磁路。并且偏置磁通b76b形成从主极71d与换向极71e之间的永久磁铁73b的N极通过主极71d经由转子75通过主极71f的磁路。偏置磁通b76c形成从主极71f与换向极71g之间的永久磁铁73c的N极通过主极71h经由转子75通过主极71f的磁路。偏置磁通b76d形成从主极71h与换向极71a之间的永久磁铁73d的N极通过主极71h经由转子75通过主极71b的磁路。
控制磁通c77b由控制线圈72b产生，通过换向极71c从主极71d经由转子75形成磁路。并且，控制磁通c77d由控制线圈72d产生，并通过换向极71c从主极71h经由转子75形成磁路。此处，为了便于说明，该图仅说明了在X方向进行控制的情况，但是同样，通过控制线圈72a和72c实际上也产生控制磁通。在Y方向进行控制的情况下使用控制线圈72a和72c进行控制。
在转子75在X方向(箭头方向)移位的情况下，如上述实施例中说明的那样，通过磁通传感器检测磁通或者通过位移传感器检测位移，通过对控制线圈72a～72d的电流进行控制来改变控制磁通的强度。在本实施例中，在控制线圈72b侧的主极71d中，偏置磁通b75b、b76a、b76b产生在相同方向上，控制磁通c77b也产生在与偏置磁通相同的方向上。在换向极71c中，在与偏置磁通b75b相同的方向上也产生控制磁通c77b。
另一方面，在控制线圈72d侧的主极71h中，偏置磁通b75d、b76c、b76d产生在相同方向上，控制磁通c77d产生在与偏置磁通相反的方向上。在换向极71g中控制磁通c77d也产生在与偏置磁通b75d相反的方向上。由此，在转子75的控制线圈72b侧吸引力变强，在控制线圈72d侧吸引力减弱，转子75向X方向(箭头方向)移位。
根据上述结构，能够在X方向和Y方向上控制转子75的位置。
另外，即使将换向极用永久磁铁74a～74d配置在换向极71a、71c、71e、71g的凸极中部，各偏置磁通和控制磁通也成为与实施例2同样的磁路，从而能够进行与实施例2同样的控制。
另外，在实施例2中设有由换向极和主极构成的四个电磁铁，但是不特别限定为四个，只要设置多个即可。
根据上述结构，并不增加换向极用永久磁铁的厚度，增加偏置磁通就能够高效地进行控制，能够提高转子的位置控制的推定精度。
(实施例3)
图9中示出表示实施例3的结构的展开图。图9的(a)是从上部观察到的图。该图的(b)是从控制线圈82c、82g侧观察到的侧视图。该图的(c)是从换向极82b、82f侧观察到的侧视图。该图的(d)是从下部观察到的图。
图1的(a)～(d)所示的本发明的混合型磁轴承是在转子81的上下具有控制转子81的磁轴承的结构。
上部磁轴承具有控制线圈82a～82d、第一～四芯83a～83d以及第一～四永久磁铁84a～84d。第一～四芯83a～83d以朝向转子81突出设置的方式对置设置第一～四主极85a～85d和第一～四换向极87a～87d。此处，优选的是，从芯上部平面或者下部平面沿大致垂直方向朝转子81(平面)方向突出设置第一～四主极85a～85d和第一～四换向极87a～87d。
接着，第一芯83a将第一控制线圈82a设置在第一主极85a上，第二芯83b将第二控制线圈82b设置在第二主极85b上，第三芯83c将第三控制线圈82c设置在第三主极85c上，第四芯83d将第四控制线圈82d设置在第四主极85d上。
所述换向极87a～87d分别具有换向极用永久磁铁86a～86d。在第一换向极87a上具有第一换向极用永久磁铁86a，在第二换向极87b上具有第二换向极用永久磁铁86b，在第三换向极87c上具有第三换向极用永久磁铁86c，在第四换向极87d上具有第四换向极用永久磁铁86d。
第一～四永久磁铁84a～84d设在第一～四芯83a～83d之间，并由向第一～四芯83a～83d两侧延伸的部分固定。第一永久磁铁84a设在第一芯83a与第二芯83b之间，第二永久磁铁84b设在第二芯83b与第三芯83c之间，第三永久磁铁84c设在第三芯83c与第四芯83d之间，第四永久磁铁84d设在第四芯83d与第一芯83a之间。
下部磁轴承具有控制线圈82e～82h、第五～八芯83e～83h和第五～八永久磁铁84e～84h。第五～八芯83e～83h以朝向转子81突出设置的方式对置设置第五～八主极85e～85h和第五～八换向极87e～87h。此处，优选的是，第五～八主极85e～85h和第五～八换向极87e～87h从芯上部平面或者下部平面沿大致垂直方向朝转子81(平面)方向突出设置。
接着，第五芯83e将第五控制线圈82e设置在第五主极85e上，第六芯83f将第六控制线圈82f设置在第六主极85f上，第七芯83g将第七控制线圈82g设置在第七主极85g上，第八芯83h将第八控制线圈82h设置在第八主极85h上。
所述换向极87e～87h分别具有换向极用永久磁铁86e～86h。在第五换向极87e上具有第五换向极用永久磁铁86e，在第六换向极87f上具有第六换向极用永久磁铁86f，在第七换向极87g上具有第七换向极用永久磁铁86g，在第八换向极87h上具有第八换向极用永久磁铁86h。
第五～八永久磁铁84e～84h设在第五～八芯83e～83h之间，并由向第五～八芯83a～83d两侧延伸的部分固定。第五永久磁铁84e设在第五芯83e与第六芯83f之间，第六永久磁铁84f设在第六芯83f与第七芯83g之间，第七永久磁铁84g设在第七芯83g与第八芯83h之间，第八永久磁铁84h设在第八芯83h与第9芯83e之间。
此处，所述说明的永久磁铁84a～84h、换向极用永久磁铁86a～86h的材质使用例如钕-铁-硼、钐-钴、钐-铁-氮等(稀土类磁铁)。上下磁轴承和转子81的材质使用软磁铁、磁性不锈钢、压粉磁铁等(软磁性材料)。另外，不限于所述说明的材料。
接着，利用图10的(a)、(b)和图11对在上述图9中说明的磁轴承的控制进行说明。图10的(a)、(b)和图11示出在Z轴正方向上产生控制力的情况下的控制磁通的方向的图。图10的(a)是沿C-C’线的剖面图。图10的(b)和图9的(b)是从第三芯83c侧观察到的侧视图。图11是图10的(a)的剖视立体图。此处，为了方便起见，在图11中示出了局部剖切表示第一永久磁铁84a的偏置磁通b810a和第四永久磁铁84d的偏置磁通b810d所通过的位于Y轴正方向的主极85a、换向极87a、控制线圈82a等的磁轴承的剖面。另外，图10的(a)、(b)和图11涉及磁通线，但为了方便起见，表示成除了后述部分以外的部分都未图示的磁通线图。实际上，如果是与后述的结构同样的结构，则即使是在后述结构的位置以外也同样地产生由换向极用永久磁铁产生的第一偏置磁通和由永久磁铁产生的第二偏置磁通，利用控制线圈改变控制磁通的强度，从而能够控制磁通。
在本实施例中，控制磁通(在Z轴正方向产生控制力的情况下的控制磁通的产生方向)构成为，第一～八控制磁通由线圈产生，并形成主极-转子-换向极的磁路。由第一～八换向极用永久磁铁86a～86h产生的偏置磁通(第一偏置磁通)形成主极-转子-换向极的磁路。由第二永久磁铁产生的偏置磁通(第二偏置磁通)由永久磁铁84a～84h产生，形成N极侧主极-转子-S极侧主极的磁路。
图10的(a)所示的通过配置在Z轴正方向上侧的磁轴承与转子81的间隙的控制磁通c88b，利用控制线圈82b控制磁通强度。
此处，如图10的(a)所示，转子81成为具有81a和81b那样的H型槽的结构。优选的是，例如，槽宽是与相互对置的主极和换向极的间隔相等的宽度。
第一偏置磁通b89b由第二换向极用永久磁铁86b产生。其结果是，第一偏置磁通b89b相对于控制磁通c88b在相同方向产生磁通，因此能够相互增强。进而，第二偏置磁通b810a和b810b分别由第一永久磁铁84a和第二永久磁铁84b产生，并且产生在增强控制磁通c88b的方向上。另外，控制磁通c88d通过控制线圈82d控制磁通强度。第一偏置磁通b89d由第四换向极永久磁铁86d产生。其结果是，第一偏置磁通b89d相对于控制磁通c88d在相同方向产生磁通，因此能够相互增强。进而，第二偏置磁通b810d和b810c分别由第四永久磁铁84d和第三永久磁铁84c产生，并且在增强控制磁通c88b的方向产生。
此处，通过控制线圈82a产生控制磁通c88a，控制磁通强度，但并未示出。由第一换向极用永久磁铁86a产生第一偏置磁通b89a。其结果是，第一偏置磁通b89a相对于控制磁通c88a在相同方向产生磁通，因此能够相互增强。进而，第二偏置磁通b810a和b810d分别由第一永久磁铁84a和第四永久磁铁84d产生，并且在增强控制磁通c88a的方向产生。另外，由控制线圈82c产生控制磁通c88c，控制磁通强度。由第三换向极用永久磁铁86c产生第一偏置磁通b89c。其结果是，第一偏置磁通b89c相对于控制磁通c88c在相同方向产生磁通，因此能够相互增强。进而，第二偏置磁通b810b和b810c分别由第二永久磁铁84b和第三永久磁铁84c产生，并且在增强控制磁通c88c的方向产生。
另外，图10的(a)所示的通过配置在Z轴负方向下侧的磁轴承与转子81的间隙的控制磁通，相对于偏置磁通在相互减弱的方向上产生。控制磁通c88f通过控制线圈82f控制磁通强度。第一偏置磁通b89f由第六换向极用永久磁铁86f产生。其结果是，第一偏置磁通b89f相对于控制磁通c88f在相反方向产生磁通，因此能够相互减弱。进而，第二偏置磁通b810e和b810f分别由第五永久磁铁84e和第六永久磁铁84f产生，并在减弱控制磁通c88f的方向产生。另外，控制磁通c88h通过控制线圈82h控制磁通强度。第一偏置磁通b89h由第八换向极用永久磁铁86h产生。其结果是，第一偏置磁通b89h相对于控制磁通c88h在相反方向产生磁通，因此能够相互减弱。进而，第二偏置磁通b810g和b810h分别由第八永久磁铁84h和第七永久磁铁84g产生，并且在减弱控制磁通c88h的方向产生。
此处，由控制线圈82e产生控制磁通c88e，控制磁通强度，但未图示。第一偏置磁通b89e由第五换向极用永久磁铁86e产生。其结果是，第一偏置磁通b89e相对于控制磁通c88e在相反方向产生磁通，因此能够相互减弱。进而，第二偏置磁通b810e和b810h分别由第五永久磁铁84e和第八永久磁铁84h产生，并且在减弱控制磁通c88e的方向产生。另外，由控制线圈82g产生控制磁通c88g，控制磁通强度。第一偏置磁通b89g由第七换向极用永久磁铁86g产生。其结果是，第一偏置磁通b89g相对于控制磁通c88g在相反方向产生磁通，因此能够相互减弱。进而，第二偏置磁通b810g和b810f分别由第七永久磁铁84g和第六永久磁铁84f产生，并且在减弱控制磁通c88g的方向产生。通过这样，能够在Z轴正方向上进行控制。
与此相反，如果在与该图相反的方向上分别产生控制磁通，则能够在Z轴负方向上进行控制。控制磁通由控制线圈产生，并形成通过主极经由转子通过换向极的磁路。由换向极用永久磁铁产生的偏置磁通(第一偏置磁通)由换向极用永久磁铁产生，形成通过主极经由转子通过换向极的磁路。由永久磁铁产生的偏置磁通(第二偏置磁通)从永久磁铁产生，形成从N极侧主极经由转子通过S极侧主极的磁路。
另外，图10的(a)所示的通过Z轴正方向的磁轴承的81a侧电磁铁与转子81之间的间隙的控制磁通，在相对于偏置磁通相互加强的方向产生；通过81b侧电磁铁与转子81的间隙的控制磁通，在相对于偏置磁通相互减弱的方向上产生。进而，通过Z轴负方向的磁轴承的81a侧电磁铁与转子81的间隙的控制磁通，在相对于偏置磁通相互减弱的方向上产生；通过81b侧电磁铁与转子81的间隙的控制磁通，在相对于偏置磁通相互增强的方向上产生，由此能够在Y轴绕逆时针(在图10的(a)中绕顺时针)产生倾斜力矩。与此相反，如果在与先前说明相反的方向上分别产生控制磁通，则能够在Y轴沿顺时针方向(在图10的(a)中沿逆时针方向)产生倾斜力矩。同样也能够产生绕X轴的倾斜力矩。这样，能够进行Z轴方向、绕X轴、绕Y轴的控制。另外，在径向上，通过由永久磁铁产生的轴向上较强的磁吸引力被动地进行磁支撑。当转子在径向上移位时，因永久磁铁的吸引力而在恢复移位的方向上产生复原力，使位移消失。
根据上述结构，通过将上下的磁轴承相互面对的电磁铁的控制线圈连线，在一侧提高间隙的磁通密度，在另一侧降低间隙的磁通密度来进行调整，由此能够进行轴向控制、倾斜控制。
另外，虽然此处并未说明，但是控制线圈82a～82h可以如实施例1中所示的那样进行控制。
另外，利用转子的自重或永久磁铁等偏斜的力，即使仅采取一侧磁轴承，也能够进行磁悬浮控制。
再有，在仅一侧利用实施例3，将另一侧作为电动机时，也能够构成磁悬浮电动机的机构。电动机侧是配置有定子的直接驱动，也可以作为电磁耦合器进行驱动。
另外，图13的(a)、(b)所示的第一～八换向极用永久磁铁86a～86h的配置不限定于凸极末端，可以配置在从芯的换向极的末端部至卷绕着线圈的范围内。
根据上述结构，并不增加换向极用永久磁铁的厚度，而增加偏置磁通就能够高效地进行控制，能够提高转子的位置控制的推定精度。
(实施例4)
说明对上述说明的实施例1～3的磁轴承加以利用的泵。对如下这样的离心泵进行说明：在转子上表面构成涡轮，并覆盖具有进口和出口的泵压头(pump head)部，在相反的面或转子内表面上设置永久磁铁，由在泵壳外的电动机的轴上设置的永久磁铁进行磁驱动(magnet drive)。
(磁悬浮泵)
说明径向磁轴承的结构(利用实施例1、2)。例如，在转子2的上表面形成涡轮。然后，在转子2的内表面或者下表面设置由2×N极数构成的永久磁铁。将这样构成的转子-涡轮密封在泵壳内。设置具有如下部件的电动机来实现磁悬浮旋转，即具有：在壳体外侧设置的磁轴承1、以及与在转子2上设置的驱动用永久磁铁的极数相同的驱动用电磁铁或者与在转子2上设置的驱动用永久磁铁的极数相同的电磁耦合器。
接着，说明轴向磁轴承的结构(变形利用实施例3)。例如，仅使用磁轴承的一侧(轴向正方向的磁轴承或负方向的磁轴承)，在其相反侧设置驱动用电磁铁，产生旋转磁场作为直接驱动。或者设置具有电磁耦合器的电动机，驱动电磁耦合器使其旋转。在转子81的电动机侧设置具有驱动用永久磁铁的轭铁。在转子81的磁轴承侧的轭铁与驱动用磁铁的轭铁之间形成涡轮。将这样构成的转子81和涡轮密封到泵壳中。设置具有如下部件的电动机来实现磁悬浮旋转，即具有：在壳体外侧设置的磁轴承、以及与在转子上设置的驱动用永久磁铁的极数相同的驱动用电磁铁或与在转子81上设置的驱动用永久磁铁的极数相同的电磁耦合器。
由此，能够解决以往的泵中的从滑动部产生磨耗粉末的问题以及用轴承部固定的问题。另外，由于成为磁悬浮泵而不需要维护，因此能够延长泵的寿命，提高耐久性。另外，旋转方法不限定于上述说明的方法。
通过形成上述所说明的结构，利用由永久磁铁和换向极用永久磁铁产生的第一偏置磁通和第二磁通，以少量电流就能够产生较强的径向控制力，还利用由所述永久磁铁和所述换向极用永久磁铁的较强的磁吸引力的被动稳定性来支撑轴向/倾斜，从而使控制性优异，能够进一步实现高刚性化、高效率化、小型化，能够更加简化控制设备。
另外，通过利用电动机的磁支撑，能够替代现有的电动机轴承中的滚动轴承和滑动轴承这些接触型轴承，将本发明的轴承作为磁轴承利用。其结果是能够方便维护，有效地降低在旋转时产生的振动、噪音等。
另外，将径向磁轴承和轴向磁轴承复合，从而能够通过同时使用径向磁轴承和轴向轴承来控制五根以上的轴。
所述实施例1～4中说明的转子的形状不限定于环状，也可以是圆盘形等。
另外，本发明不限定于所述实施方式，可以在不脱离本发明主旨的范围内进行各种改良和变更。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1、一种混合型磁轴承，该混合型磁轴承具有通过控制多个电磁铁和永久磁铁的磁力而在非接触状态下被支撑时进行旋转的转子，其特征在于，
所述电磁铁具有主极和换向极，在所述换向极上具有换向极用永久磁铁，在所述转子的径向上以预定间隔大致平行地突出设置有所述主极和所述换向极，在由所述主极和所述换向极构成的芯(磁芯)上卷绕有控制线圈，
两个所述电磁铁隔着所述转子大致水平地对置配置，并且所述转子配设成与所述主极和所述换向极具有预定间隙，
在相邻的所述电磁铁之间设置所述永久磁铁。
2、根据权利要求1所述的混合型磁轴承，其特征在于，
所述换向极用永久磁铁配设成：其极性与对置配置的所述电磁铁的所述换向极的极性相同，并且与相邻的所述电磁铁的所述换向极的极性不同，
隔着所述电磁铁而配设的所述永久磁铁的极性配置成：与所述换向极用永久磁铁末端的极性不同的极性朝向该电磁铁的方向。
3、根据权利要求2所述的混合型磁轴承，其特征在于，
所述控制线圈在与所述换向极用永久磁铁产生的第一偏置磁通和所述永久磁铁产生的第二偏置磁通相同方向或相反方向上产生控制磁通，并控制所述转子的位置。
4、根据权利要求3所述的混合型磁轴承，其特征在于，
所述控制磁通利用磁通传感器检测所述第二偏置磁通的变化，并根据所述检测到的结果来调节所述控制线圈的电流。
5、根据权利要求3所述的混合型磁轴承，其特征在于，
所述控制磁通利用位移传感器检测所述转子位置的变化，并根据所述检测到的结果来调节所述控制线圈的电流。
6、根据权利要求2所述的混合型磁轴承，其特征在于，
所述换向极用永久磁铁配设在从所述换向极的末端到所述主极和所述换向极之间的芯部之间。
7、一种混合型磁轴承，该混合型磁轴承具有通过控制多个电磁铁和永久磁铁的磁力而在非接触状态下被支撑时进行旋转的转子，其特征在于，
所述混合型磁轴承隔着所述转子并具有预定间隙地在所述转子旋转轴的轴向上下配设有上侧磁轴承和下侧磁轴承，
所述上侧磁轴承和所述下侧磁轴承具有多个所述电磁铁，所述电磁铁具有主极和换向极，在所述换向极上具有换向极用永久磁铁，所述电磁铁以预定间隔大致平行地突出设置有所述主极和具有所述换向极用永久磁铁的换向极，在由所述主极和所述换向极构成的芯(磁芯)上卷绕有控制线圈，
在所述上侧磁轴承上设置的电磁铁之间设置所述永久磁铁，并在所述下侧磁轴承上设置的电磁铁之间也设置所述永久磁铁，
所述上侧磁轴承的所述主极的端部平面和下侧磁轴承的所述主极的端部平面，隔着所述转子对置配设。
8、根据权利要求7所述的混合型磁轴承，其特征在于，
相邻的所述电磁铁的所述换向极前端的极性相异地配设，
以隔着所述电磁铁的所述主极的方式配设的所述永久磁铁的极性配置成：与所述换向极用永久磁铁前端的极性不同的极性朝向该电磁铁的所述主极方向。
9、根据权利要求8所述的混合型磁轴承，其特征在于，
所述控制线圈在与所述换向极用永久磁铁产生的第一偏置磁通和所述永久磁铁产生的第二偏置磁通相同方向或相反方向上产生控制磁通，并控制所述转子的位置。
10、根据权利要求7所述的混合型磁轴承，其特征在于，
所述转子在与所述主极和所述换向极相面对的侧面上设有两个突起部，并使所述突起部在所述转子的所述侧面与所述主极和所述换向极对置。
11、一种磁悬浮泵用混合型磁轴承，该磁悬浮泵用混合型磁轴承具有通过控制多个电磁铁和永久磁铁的磁力而在非接触状态下被支撑时进行旋转的转子，其特征在于，
所述电磁铁具有主极和换向极，在所述换向极上具有换向极用永久磁铁，在所述转子的径向上以预定间隔大致平行地突出设置有所述主极和具有所述换向极用永久磁铁的换向极，在由所述主极和所述换向极构成的芯(磁芯)上卷绕有控制线圈，
两个所述电磁铁隔着所述转子大致平行地对置配置，并且所述转子与所述主极和所述换向极配设成具有预定间隙，
在相邻的所述电磁铁之间设置所述永久磁铁。

Claims (11)

1、一种混合型磁轴承，该混合型磁轴承具有通过控制多个电磁铁和永久磁铁的磁力而在非接触状态下被支撑时进行旋转的转子，其特征在于，
所述电磁铁在所述转子的径向上以预定间隔大致平行地突出设置有主极和具有换向极用永久磁铁的换向极，在由所述主极和所述换向极构成的芯(磁芯)上卷绕有控制线圈，
两个所述电磁铁隔着所述转子大致水平地对置配置，并且所述转子配设成与所述主极和所述换向极具有预定间隙，
在相邻的所述电磁铁之间设置所述永久磁铁。
2、根据权利要求1所述的混合型磁轴承，其特征在于，
所述换向极用永久磁铁配设成：其极性与对置配置的所述电磁铁的所述换向极的极性相同，并且与相邻的所述电磁铁的所述换向极的极性不同，
隔着所述电磁铁而配设的所述永久磁铁的极性配置成：与所述换向极用永久磁铁末端的极性不同的极性，朝向该电磁铁的方向。
3、根据权利要求1所述的混合型磁轴承，其特征在于，
所述控制线圈在与所述换向极用永久磁铁产生的第一偏置磁通和所述永久磁铁产生的第二偏置磁通相同方向或相反方向上产生控制磁通，并控制所述转子的位置。
4、根据权利要求3所述的混合型磁轴承，其特征在于，
所述控制磁通利用磁通传感器检测所述第二偏置磁通的变化，并根据所述检测到的结果来调节所述控制线圈的电流。
5、根据权利要求3所述的混合型磁轴承，其特征在于，
所述控制磁通利用位移传感器检测所述转子位置的变化，并根据所述检测到的结果来调节所述控制线圈的电流。
6、根据权利要求2所述的混合型磁轴承，其特征在于，
所述换向极用永久磁铁配设在从所述换向极的末端到所述主极和所述换向极之间的芯部之间。
7、一种混合型磁轴承，该混合型磁轴承具有通过控制多个电磁铁和永久磁铁的磁力而在非接触状态下被支撑时进行旋转的转子，其特征在于，
所述混合型磁轴承隔着所述转子以预定间隙在上下配设有上侧磁轴承和下侧磁轴承，
所述上侧磁轴承和所述下侧磁轴承具有多个所述电磁铁，所述电磁铁以预定间隔大致平行地突出设置有主极和具有换向极用永久磁铁的换向极，在由所述主极和所述换向极构成的芯(磁芯)上卷绕有控制线圈，
在所述上侧磁轴承上设置的电磁铁之间设置所述永久磁铁，并在所述下侧磁轴承上设置的电磁铁之间也设置所述永久磁铁，
所述上侧磁轴承的所述主极的端部平面和下侧磁轴承的所述主极的端部平面，隔着所述转子对置配设。
8、根据权利要求1所述的混合型磁轴承，其特征在于，
相邻的所述电磁铁的所述换向极末端的极性相异地配设，
以隔着所述电磁铁的所述主极的方式配设的所述永久磁铁的极性配置成：与所述换向极用永久磁铁末端的极性不同的极性朝向该电磁铁的所述主极方向。
9、根据权利要求7所述的混合型磁轴承，其特征在于，
所述控制线圈在与所述换向极用永久磁铁产生的第一偏置磁通和所述永久磁铁产生的第二偏置磁通相同方向或相反方向上产生控制磁通，并控制所述转子的位置。
10、根据权利要求7所述的混合型磁轴承，其特征在于，
所述转子在与所述主极和所述换向极相面对的侧面上设有两个突起部，并使所述突起部在所述转子的所述侧面与所述主极和所述换向极对置。
11、一种磁悬浮泵用混合型磁轴承，该磁悬浮泵用混合型磁轴承具有通过控制多个电磁铁和永久磁铁的磁力而在非接触状态下被支撑时进行旋转的转子，其特征在于，
所述电磁铁在所述转子的径向上以预定间隔大致平行地突出设置有主极和具有换向极用永久磁铁的换向极，在由所述主极和所述换向极构成的芯(磁芯)上卷绕有控制线圈，
两个所述电磁铁隔着所述转子大致水平地对置配置，并且所述转子与所述主极和所述换向极配设成具有预定间隙，
在相邻的所述电磁铁之间设置所述永久磁铁。
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